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Arduino y los ensayos no destructivos Trabajo Final de Grado Facultat de Nàutica de Barcelona Universitat Politècnica de Catalunya Trabajo realizado por: Victor Abad Gibert Dirigido por: Juan Antonio Moreno Martínez Doble titulación de Grado en Tecnologías Marinas e Ingeniería en Sistemas y Tecnología Naval Barcelona, 10 de julio del 2018 Trabajo Final de Grado ii Arduino y los ensayos no destructivos Agradecimientos La implementación de este proyecto no hubiera sido posible sin la colaboración de algunas personas. En primer lugar quiero agradecer al tutor del proyecto, el Dr. Juan Antonio Moreno Martínez, por haber aceptado ser mentor de este proyecto y por el asesoramiento y orientación proporcionados a lo largo del proyecto. En segundo lugar, quiero expresar mi gratitud al profesor Ander García Bretones, con quien realicé un curso de LabVIEW en la UPC y me ayudó a resolver mis dudas a lo largo del proyecto. Finalmente, quiero agradecer a mi familia para alentarme a comenzar este proyecto con entusiasmo, y por apoyarme en todas las decisiones tomadas. iii Trabajo Final de Grado Resumen El presente proyecto se centra en mostrar algunos de los ensayos no destructivos bajo la óptica del ecosistema Arduino mediante los lenguajes de programación gráfico de LabVIEW, de Java y también el de Arduino. Para ello se han utilizado los sensores adecuados que permiten representar los principios físicos de los ensayos que se pretenden mostrar. Estos ensayos son: el ensayo por ultrasonidos, realizando un dispositivo que emite ultrasonidos para determinar la sección de un material, el ensayo por partículas magnéticas, desarrollando una sonda hall utilizada para medir el campo magnético presente en un ensayo por partículas magnéticas, el ensayo por termografía, elaborando una cámara termográfica y la evaluación del ensayo por líquidos penetrantes, desarrollando un programa para hacer una evaluación de los resultados automática. iv Arduino y los ensayos no destructivos Abstract This project is focused on presenting some of the non-destructive testing under the optics of Arduino environment through the LabVIEW, Java and Arduino programming languages. For this purpose, suitable sensors have been selected for representing the physical principles that the aforementioned testing are based on. These testing are: ultrasound testing, through a system that emits ultrasounds in order to determine the section of a material; magnetic particle testing, through the development of a Hall probe used to measure the magnetic field in a magnetic particle testing; thermographic testing, through a thermographic camera; and the evaluation through penetrant liquids, through the development of a program to perform an automatic evaluation of the results. v Trabajo Final de Grado Tabla de contenido Agradecimientos ............................................................................................................. iii Resumen ......................................................................................................................... iv Abstract ...........................................................................................................................v Listado de ilustraciones ................................................................................................. viii Listado de ecuaciones ....................................................................................................... x Listado de tablas .............................................................................................................. xi 1. Introducción ................................................................................................................ 1 1.1. Motivación ........................................................................................................................ 1 1.2. Objetivos ........................................................................................................................... 1 1.3. Metodología y estructura ................................................................................................... 2 2. Antecedentes .............................................................................................................. 3 2.1. Ensayos No Destructivos (END’s) ........................................................................................ 3 2.2. Arduino ............................................................................................................................. 4 2.3. LabVIEW ............................................................................................................................ 4 2.4. Java ................................................................................................................................... 4 3. Requisitos de reglamentación y aspectos legales .......................................................... 5 4. Ensayo por ultrasonidos ............................................................................................... 9 4.1. Introducción ...................................................................................................................... 9 4.2. Principios físicos ................................................................................................................ 9 4.3. Ventajas y limitaciones .................................................................................................... 11 4.2.4. Aplicaciones.................................................................................................................. 12 4.5. Hardware ........................................................................................................................ 12 4.6. Software.......................................................................................................................... 15 4.7. Resultados ....................................................................................................................... 19 5. Ensayo por partículas magnéticas (Sonda Hall) ............................................................20 5.1. Introducción .................................................................................................................... 20 5.2. Ensayo por partículas magnéticas ..................................................................................... 21 5.3. Principios físicos .............................................................................................................. 23 5.4. Ventajas y limitaciones ................................................................................................... 25 5.5. Generación de campos magnéticos .................................................................................. 26 5.6. Sonda Hall ....................................................................................................................... 26 5.7. Aplicaciones .................................................................................................................... 27 5.8. Hardware ........................................................................................................................ 28 5.9. Software.......................................................................................................................... 30 5.10. Resultados ..................................................................................................................... 32 6. Ensayo por termografía ...............................................................................................33 6.1. Introducción .................................................................................................................... 33 6.2. Principios físicos .............................................................................................................. 33 6.3. Ventajas y limitaciones .................................................................................................... 34 6.4. Aplicaciones .................................................................................................................... 35 6.5. Hardware ........................................................................................................................ 35 6.6. Software.......................................................................................................................... 38 6.7. Resultados ....................................................................................................................... 40 vi Arduino y los ensayos no destructivos 7. Evaluación de líquidos penetrantes .............................................................................42 7.1. Introducción .................................................................................................................... 42 7.2. Ensayo por líquidos penetrantes ...................................................................................... 43 7.3. Principios físicos .............................................................................................................. 46 7.4. Ventajas y limitaciones .................................................................................................... 48 7.5. Aplicaciones .................................................................................................................... 49 7.5. Hardware ........................................................................................................................ 49 7.6. Software.......................................................................................................................... 50 7.7. Resultados ....................................................................................................................... 51 8. Presupuesto................................................................................................................54 8.1. Ultrasonidos .................................................................................................................... 54 8.2. Sonda Hall ....................................................................................................................... 55 8.3. Cámara termográfica ....................................................................................................... 56 8.4. Evaluación líquidos penetrantes ....................................................................................... 57 8.5. Presupuesto total ............................................................................................................ 57 9. Discusión y conclusiones .............................................................................................58 11. Bibliografía y referencias ...........................................................................................60 vii Trabajo Final de Grado Listado de ilustraciones Ilustración 1 - Características del sonido .................................................................................. 9 Ilustración 2 - Espectro acústico [7] ........................................................................................ 10 Ilustración 3 - Distancia ultrasonidos [10]................................................................................ 14 Ilustración 4 - Dispositivo de ultrasonidos ............................................................................... 14 Ilustración 5 - Diagrama de flujo del sistema de ultrasonidos ................................................ 15 Ilustración 6 - Definición de puertos COM .............................................................................. 15 Ilustración 7 - Selección de pines ............................................................................................ 16 Ilustración 8 - Configuración del asistente de firmware de LINX ............................................ 16 Ilustración 9 - Error de carga de LINX ..................................................................................... 16 Ilustración 10 - Calibración de los sensores ........................................................................... 17 Ilustración 11 - Cálculo de la distancia .................................................................................... 17 Ilustración 12 - Finalización del ensayo .................................................................................. 18 Ilustración 13 - Ensayo por ultrasonidos, muestra. ................................................................. 18 Ilustración 14 - Resultados ensayo ultrasonidos .................................................................... 19 Ilustración 15 – Indicaciones en el ensayo por partículas magnéticas [11] ........................... 21 Ilustración 16 - Esquema inspección por partículas magnéticas ............................................ 22 Ilustración 17 - Campo magnético. Fuerzas de dipolo............................................................ 23 Ilustración 18 - Espectro. Partículas magnéticas .................................................................... 24 Ilustración 19 – Representación de las líneas de fuerza del campo magnético [11] ............. 24 Ilustración 20 - Esquema yugo electromagnético Ilustración 21 - Yugo electromagnético . 26 Ilustración 22 - Sensor Hall [12] .............................................................................................. 27 Ilustración 23 – Esquema electrónico del sensor Hall [13] ..................................................... 29 Ilustración 24 - Relación entre voltaje de salida y densidad de flujo magnético [13] ............. 29 Ilustración 25 - Montaje final Sonda Hall ................................................................................. 30 Ilustración 26 - Diagrama de flujo de la sonda Hall ................................................................ 30 Ilustración 27 - Selección puerto COM y tiempo de muestreo ............................................... 31 Ilustración 28 - Sonda Hall adquiriendo datos ........................................................................ 31 Ilustración 29 - Sonda Hall con el yugo electromagnético ...................................................... 32 Ilustración 30 - Dispositivo de termografía .............................................................................. 37 Ilustración 31 - Diagrama de flujo del sistema de termografía ............................................... 38 Ilustración 32 - Selección del puerto de la cámara ................................................................. 38 Ilustración 33 - Menú de calibración ........................................................................................ 39 Ilustración 34 - Menú de resolución ........................................................................................ 39 Ilustración 35 - Tiempo de escaneado .................................................................................... 39 Ilustración 36 - Interfaz del programa de termografía ............................................................. 40 Ilustración 37 - Resultados termografía .................................................................................. 40 Ilustración 38 - Comparación de resultados de la termografía ............................................... 41 Ilustración 39 - Discontinuidad por Líquidos Penetrantes ...................................................... 42 Ilustración 40 - Diagrama de proceso ..................................................................................... 43 Ilustración 41 - Muestra limpiada y secada ............................................................................. 44 Ilustración 42 - Temperatura de la superficie a ensayar ......................................................... 44 Ilustración 43 - Aplicación del líquido penetrante ................................................................... 44 Ilustración 44 - Muestra con el exceso eliminado ................................................................... 45 Ilustración 45 - Muestra con el revelador aplicado ................................................................. 45 Ilustración 46 - Indicación lineal continua................................................................................ 45 Ilustración 47 - Indicación redondeada ................................................................................... 46 Ilustración 48 - Muestras limpiadas ......................................................................................... 46 Ilustración 49 - mojabilidad de los líqudios [17] ...................................................................... 47 Ilustración 50 - Diagrama de flujo del sofware de evaluación ................................................ 50 Ilustración 51 - Interfaz del programa de evaluación .............................................................. 51 Ilustración 52 - Indicación lineal continua 1 ............................................................................ 51 Ilustración 53 - Indicación lineal continua 1 detectada ........................................................... 52 viii Arduino y los ensayos no destructivos Ilustración 54 - Indicación lineal 2 ........................................................................................... 52 Ilustración 55 - Indicación lineal 2 detectada .......................................................................... 52 Ilustración 56 - Indicación redondeada ................................................................................... 53 Ilustración 57 - Indicación redondeada detectada .................................................................. 53 ix Trabajo Final de Grado Listado de ecuaciones Ecuación 1 - Transformación unidades del sonido ................................................................. 13 Ecuación 2 - Distancia que recorre el sonido .......................................................................... 13 Ecuación 3 - Recta voltaje-flujo magnético ............................................................................. 29 Ecuación 4 - Densidad de flujo magnético .............................................................................. 29 Ecuación 5 - Ley de radiación de Kirchhoff's .......................................................................... 34 Ecuación 6 - Ley de radiación de Kirchhoff's simplificada ...................................................... 34 Ecuación 7 - Poder humectante .............................................................................................. 47 x
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